下穿高速铁路地铁列车振动对高速铁路的影响分析

崔光耀 何子阳 王明胜 许崇庆

（1.北方工业大学，北京 100144；2.中铁城市发展投资集团有限公司，成都 610000）

近年来，随着交通科技的迅速发展，交通隧道建设大幅推进，城市地下空间集约化开发利用十分迫切，地铁下穿既有构筑物不可避免［1-3］。运营地铁列车振动对地面建／构筑物的影响越来越突出。

目前，专家学者对地铁运营振动对周围环境及建筑物的影响进行了大量研究。袁庆利［4-5］等通过三维有限元模型和水-土耦合有限单元-有限差分数值模型，研究了地铁列车振动时隧道周围软土的力学响应和变形响应；朱正国［6-8］等通过傅里叶变换法和数值模拟研究了地铁运营振动对既有建筑的影响；刘一文［9-11］等通过数值模拟和地面振动测试等方法对地铁运营振动引起的地面沉降进行了研究；蔡袁强［12-15］等借助ANSYS 等软件研究了振动响应机理以及防振隔振措施。综上所述，既有文献中对于地铁运营对周围建筑物的影响以及防振措施已有了较为深入的研究，但对于地铁运营振动对上方高速铁路以及信号灯等高速铁路配套设施影响的研究较少。因此，本文以北京地铁19 号线草桥站—右安门外站区间下穿京沪高速铁路工程为研究对象，借助FLAC3D 计算软件对草右区间地铁列车运营振动对上方高速铁路线路及高速铁路设备的影响进行分析。研究成果可以为类似城市下穿工程设计提供参考。

1 工程概况

1.1 草桥站—右安门外站区间工程概况

草桥站—右安门外站区间下穿京沪高速铁路段，下穿京沪高速铁路段的起始右线里程为K 37+600，终点右线里程为K 37+880，该段落总长280.0 m，为双线双洞区间，洞间距约11.0 m。该段区间斜向下穿京沪高速铁路，高速铁路下方建有框构桥，隧道与框构桥交角为61°。

1.2 地质情况

该段区间隧道下穿高速铁路区域沿着6‰下坡，拱顶与框构桥底垂直净距约11.1 m，与轨底垂直净距约21.29 m。该区间主要穿越卵石层，卵石粒径一般为5.0～10.0 cm，最大粒径21 cm。结构上部局部位于卵石～圆砾，圆砾粒径一般为0.5～2.0 cm，最大粒径为4 cm，充填物为细中砂约占30%，卵石粒径一般为2.0～5.0 cm，最大粒径为10 cm，充填物为细中砂约占30%。下部局部位于粉细砂层及卵石，粒径一般为5.0～10.0 cm，最大粒径大于22 cm，充填物为细中砂约占30%。详细地质情况如图1所示。

图1 地质情况图

2 计算情况

2.1 计算模型

以草桥站—右安门外站区间隧道下穿京沪高速铁路为研究背景建立计算模型。模型隧道洞宽6.4 m，隧道洞口间距4.6 m，框构桥设计跨度分别为10 m、12.5 m、12.5 m、10 m，桥体总高度9.3 m。隧道洞口至左侧边界均为40 m，至右侧边界均为80 m。围岩采用摩尔-库伦模型，混凝土采用弹性模型，地表铁路、接触网杆、信号灯、电线杆和矩形横腹板柱采用Beam 单元模拟。静力计算时，模型上部不设约束面，底部和四周设置约束面；动力计算时，模型底部设置约束面，四周为自由场边界。

2.2 计算参数

计算模型的物理力学参数如表1所示。

表1 模型计算参数表

2.3 动力参数

选用常规动力加载方式加载地铁列车运行实测波，列车波时程曲线如图2所示。

图2 地铁列车运营实测波时程曲线图

2.4 测点布置

下穿影响线范围内，共8 处硬横跨接触网杆，其中4 处位于桥面，均为等径圆钢柱；6 处悬挑式接触网杆，其中3 处位于桥面，均为等径圆钢柱；2 处为矩形横腹板柱，均位于路基；路基段还存在1 处信号灯及1 处电线杆。桥面接触网与桥梁结构连接为一体，路基处接触网杆钢柱采用扩大基础。具体分布如图3所示。

图3 网杆、信号灯等分布图

将监测点布置在模型所建网杆的顶部及底部，共34 个测点，如图4所示。8 处硬横跨接触网杆（杆标1～8 号）、6 处悬挑式接触网杆（杆标9～14 号）、2 处矩形横腹板柱（杆标15～16 号）、1 处信号灯（杆标17 号）及1 处电线杆（杆标18 号）。

图4 网杆编号图

根据铁总运〔2015〕362 号《高速铁路接触网运行维修规则》规范要求，结合工程实际情况及既有设计施工经验，接触网支柱位移控制标准如表2所示。

表2 接触网支柱控制标准表

3 计算结果分析

3.1 硬横跨接触网杆位移分析

提取8 处硬横跨接触网杆的横向和竖向位移云图，如图5、图6所示。

图5 硬横跨接触网杆横向位移云图（m）

图6 硬横跨接触网杆竖向位移云图（m）

提取8 处硬横跨接触网杆杆顶杆底以及最大沉降位移，并计算各杆的偏差、倾斜率和差异沉降，如表3所示。

表3 硬横跨接触网杆位移汇总表

由图7、图8 和表3 可知，施加振动波后，8 处硬横跨接触网杆最大偏差为0.016°，最大倾斜率为0.028‰，立柱最大沉降为1.9 mm，最大差异沉降为0.3 mm，各项指标均小于控制指标。

图7 悬挑式接触网杆竖向位移云图（m）

图8 矩形横腹板柱竖向位移云图（m）

3.2 悬挑式接触网杆位移分析

提取6 处硬横跨接触网杆的横向、竖向位移云图，如图7所示（以竖向位移云图为例）。

提取6 处悬挑式接触网杆杆顶杆底以及最大沉降位移，并计算各杆的偏差和倾斜率，如表4所示。

表4 悬挑式接触网杆位移汇总表

由图7 和表4 可知，6 处悬挑式接触网杆最大偏差为0.010°，最大倾斜率为0.018‰，远小于控制值；最大立柱沉降为2.1 mm，小于控制标准值（4 mm）。

3.3 矩形横腹板柱、信号灯和电线杆位移分析

提取矩形横腹板柱、信号灯和电线杆的横向和竖向位移云图，如图8、图9所示（以竖向位移云图为例）。

图9 信号灯和电线杆竖向位移云图（m）

提取各杆柱顶柱底以及最大沉降位移，并计算两柱的偏差和倾斜率，结果如表5所示。

表5 矩形横腹板柱、电线杆、信号灯位移汇总表

由图8、图9 和表5 可知，草右区间下穿京沪高速铁路影响范围内的矩形横腹板柱、电线杆和信号灯，在施加振动波后，最大偏差为0.002°，最大倾斜率为0.004‰，最大立柱沉降为1.2 mm，均小于控制标准值。

3.4 高速铁路线路位移分析

提取高速铁路线路的沉降云图，如图10所示。

图10 高速铁路线路沉降云图（m）

由图10 可知，高速铁路线路较大沉降发生在地铁隧道上方部分，在振动影响范围内，两条高速铁路线路的最大沉降为1.61 mm，小于控制标准4 mm。

4 结论

本文分析了草右区间下穿京沪高速铁路对高速铁路线路及设备的影响，得到主要结论如下：

（1）影响范围内的8 处硬横跨接触网杆（杆标1～8 号），支柱横线路面偏差最大值为0.016°，远小于控制标准（2°）；支柱倾斜率最大值为0.028‰，远小于控制标准（3‰）；接触网立柱沉降最大值为1.9 mm，小于控制标准（4 mm）；差异沉降最大值为0.3 mm，小于控制标准（2 mm）。

（2）影响范围内的6 处悬挑式接触网杆（杆标9～14 号）、2 处矩形横腹板柱（杆标15～16 号）、1 处信号灯（杆标17 号）及1 处电线杆（杆标18 号），支柱横线路面偏差最大值为0.010°，远小于控制标准（2°）；支柱倾斜率最大值为0.018‰，远小于控制标准（3‰）；接触网立柱沉降最大值为2.1 mm，小于控制标准（4 mm）。

（3）影响范围内的高速铁路线路最大沉降为1.61 mm，小于控制标准4 mm。

（4）综上所述，北京地铁19 号线草右区间列车运营振动对上跨京沪高速铁路线路以及相关设备设施造成的位移变化均小于规范控制标准，因此不会对既有上跨京沪高速铁路的正常安全运营造成不利影响。